專利名稱：基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合機(jī)構(gòu)五自由度專用刃磨機(jī)工作頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的混合機(jī)構(gòu)五自由度專用刃磨機(jī)工作頭。用于模擬人手的靈活動作，實現(xiàn)復(fù)雜刀具的刃磨運動。
普通麻花鉆結(jié)構(gòu)上存在諸多缺點，如工作狀態(tài)變化劇烈，主刃上切削條件差，定心不好，切削抗力大，排屑不順利等，影響了加工效率和質(zhì)量。而且目前隨著醫(yī)療、航空、航天等先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，難加工材料被大量應(yīng)用，如復(fù)合材料、鈦合金、耐熱合金等，使用傳統(tǒng)的麻花鉆加工這些難加工材料，刀具損耗嚴(yán)重，甚至無法加工。
群鉆(倪志福鉆頭)是針對普通麻花鉆所存在的問題，進(jìn)行合理修磨而創(chuàng)制的新鉆型。它自1953年誕生以來，就在生產(chǎn)中顯示出很強(qiáng)的生命力。通過生產(chǎn)實踐，鉆型不斷演進(jìn)、擴(kuò)展、創(chuàng)新，形成了一套新鉆型型譜。國內(nèi)外一些大學(xué)和公司也對群鉆的切削機(jī)理進(jìn)行研究，開發(fā)了許多新鉆型，稱為修磨鉆頭。
長期以來鉆頭的刃磨靠操作者的經(jīng)驗技藝，刃磨的結(jié)果因人而異。刃磨的技術(shù)只有少數(shù)人能夠掌握，限制了群鉆的普及。群鉆的機(jī)械化刃磨多年來一直受到重視。美、日、德等國先后開發(fā)了刃磨修磨鉆頭的專用機(jī)床。國內(nèi)1989年湖南大學(xué)曹正銓等成功地建立了群鉆數(shù)學(xué)模型并設(shè)計制造了七坐標(biāo)數(shù)控群鉆刃磨機(jī)，隨后北京航空航天大學(xué)也開發(fā)了六坐標(biāo)數(shù)控群鉆刃磨機(jī)。這些機(jī)床在原理上都屬于串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，工作臺一層層重疊。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。
90年代中期出現(xiàn)的虛軸機(jī)床引起了整個制造業(yè)的關(guān)注。這種機(jī)床實際是一種空間并聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)是一個運動平臺、一個固定平臺和連接兩個平臺的六根連桿。不斷改變六根連桿的長度，運動平臺便產(chǎn)生六自由度的空間運動，帶動刀具在工件上加工出復(fù)雜的三維曲面。北京航空航天大學(xué)利用虛軸機(jī)床的原理，開發(fā)了基于六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的鉆頭刃磨機(jī)。將鉆頭安裝在運動平臺上，砂輪安裝在固定平臺上。
俄羅斯ЛAПИК公司生產(chǎn)的KIM-750虛擬軸加工中心是一臺集六自由度精密坐標(biāo)測量和加工為一體的設(shè)備。其六桿結(jié)構(gòu)方案見圖3，它的六桿結(jié)構(gòu)方案大大減少了外界因素對加工和測量的精度影響。工件可以在一次裝卡下完成復(fù)雜表面的加工。在本機(jī)床中，將驅(qū)動系統(tǒng)和測量系統(tǒng)分開，從而消除了動力裝置對測量過程的影響。由六個激光干涉儀組成的系統(tǒng)可高精度地確定從基準(zhǔn)鉸鏈到托架上的鉸鏈的距離，并算出當(dāng)前的工具坐標(biāo)。托架運動時機(jī)械結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的變形對激光干涉儀的工作沒有影響，因而能使工具達(dá)到很高的定位精度(2μm)。
在本發(fā)明設(shè)計過程中，對使用KIM-750虛擬軸加工中心實現(xiàn)群鉆的機(jī)械化刃磨進(jìn)行研究中發(fā)現(xiàn)，將鉆頭安裝在運動平臺上，砂輪安裝在固定平臺上，只需要四個自由度就可以實現(xiàn)群鉆的刃磨運動，用這樣復(fù)雜、昂貴的設(shè)備刃磨鉆頭不經(jīng)濟(jì)，六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制算法也很復(fù)雜。另外KIM-750運動平臺繞參考坐標(biāo)系的X軸、Y軸的最大回轉(zhuǎn)范圍為45度，繞Z軸回轉(zhuǎn)范圍60度。即從可達(dá)空間一邊的邊界到另一邊的邊界，運動平臺的法線(該法線是被刃磨刀具的中心線)轉(zhuǎn)過45度。因為在可達(dá)空間的邊界附近機(jī)構(gòu)負(fù)載能力較差，因此工作空間小于可達(dá)空間。這樣，有些鉆頭就不能磨出完整的曲面。
本發(fā)明的技術(shù)方案是將KIM-750虛擬軸加工中心的一部分功能分離出來，并增加運動平臺繞參考坐標(biāo)系的X軸、Y軸和Z軸的回轉(zhuǎn)范圍。研制一臺專用的刃磨機(jī)工作頭，與現(xiàn)有專用機(jī)架組合成一臺專用刃磨機(jī)。
本發(fā)明的技術(shù)方案參見結(jié)構(gòu)示意

圖1，它是基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合機(jī)構(gòu)五自由度專用刃磨機(jī)工作頭，包括有一個運動平臺11、一個固定平臺2和連接兩個平臺的相互并聯(lián)的運動鏈，運動鏈的驅(qū)動機(jī)構(gòu)及與之相連的位置測量裝置。特征在于，該機(jī)構(gòu)為三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，共有三條運動鏈，每條運動鏈都是由一個滑動副、一個轉(zhuǎn)副、一根固定長度的連桿和一個球副組成，滑動副由滑塊4和與導(dǎo)桿5組成。運動平臺和固定平臺之間還設(shè)置一回轉(zhuǎn)平臺，回轉(zhuǎn)平臺由回轉(zhuǎn)盤、支撐盤及兩者之間的一圈滾珠構(gòu)成。其連接構(gòu)成為6根導(dǎo)桿5的兩端分別與固定平臺2和回轉(zhuǎn)平臺上的回轉(zhuǎn)盤6固定連接，連桿的一端通過轉(zhuǎn)副與滑塊連接，連桿的另一端經(jīng)所連接的球副固定在運動平臺11上，并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)是由安裝在固定平臺2上的螺旋測微頭1聯(lián)動及與滑塊4相連接的驅(qū)動桿3構(gòu)成，螺旋測微頭1是常規(guī)千分尺中的測量部件，其運動精度為0.001mm。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運動平臺11上安裝一個可以相對運動平臺回轉(zhuǎn)的夾頭12，夾頭夾住被刃磨的刀具13。其中并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)也可采用伺服電機(jī)加滾珠絲杠螺母驅(qū)動。
前述的并聯(lián)機(jī)構(gòu)每條運動鏈中的滑動副是由滑塊4和兩根平行導(dǎo)桿5組成，每根導(dǎo)桿上都套裝一個螺旋彈簧，銷軸15與銷孔組成轉(zhuǎn)副，球副為標(biāo)準(zhǔn)球鉸鏈10。
前述的固定平臺2上三個螺旋測微頭位于一個等邊三角形的三個頂點處，該等邊三角形的外接圓與固定平臺同心。并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的三條運動鏈中的六根導(dǎo)桿5與固定平臺的連接點也位于該等邊三角形的外接圓上并以這個等邊三角形的三個頂點為對稱中心。
本發(fā)明用三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)代替六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)后，當(dāng)三個滑塊沿同一方向移動相等的距離，運動平臺相對于固定平臺平動。當(dāng)三個滑塊移動的距離不等時，運動平臺相對于固定平臺繞兩個坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明與一般的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)不同的是1.讓固定平臺本身可以回轉(zhuǎn)；2.在運動平臺的中心安裝一個夾頭，夾頭可以相對運動平臺轉(zhuǎn)動。這樣就增加了兩個回轉(zhuǎn)自由度。刃磨群鉆時需要四個自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動平臺的三個自由度加上固定平臺的回轉(zhuǎn)自由度；刃磨球頭刀具時也需要四個自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動平臺的三個自由度加上夾頭相對于運動平臺的回轉(zhuǎn)自由度。
本發(fā)明中的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的固定平臺可以在刃磨機(jī)機(jī)架上回轉(zhuǎn)。這一回轉(zhuǎn)運動自由度與上述并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三個自由度相結(jié)合，就可以實現(xiàn)刃磨群鉆各曲面的空間運動。群鉆的數(shù)學(xué)模型研究發(fā)現(xiàn)，群鉆各曲面的形成都可以通過讓鉆頭的中心線繞與它既不相交也不平行的另一根軸線回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。當(dāng)鉆頭安裝在運動平臺中心，運動平臺相對于固定平臺饒兩個坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動，可以使鉆頭的中心線(運動平臺的法線)與固定平臺的中心線既不相交也不平行。若同時讓固定平臺在刃磨機(jī)機(jī)架上回轉(zhuǎn)即實現(xiàn)了群鉆刃磨的空間運動。運動平臺相對于固定平臺的運動以及固定平臺繞自身軸線回轉(zhuǎn)的運動可以分別控制，比讓六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)同樣的運動在控制方面要簡單得多。
本發(fā)明中并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運動平臺中心安裝一個夾頭，夾頭夾持被刃磨的刀具，如群鉆(倪志福鉆頭)、球頭銑刀等，并可以帶著刀具相對運動平臺回轉(zhuǎn)。這樣刃磨機(jī)工作頭憑借五個自由度可以模擬人手的靈活動作，實現(xiàn)刃磨復(fù)雜刀具的空間運動。
實施例中滑塊4的運動由安裝在固定平臺2上的螺旋測微頭1通過驅(qū)動桿3驅(qū)動。三個螺旋測微頭位于等邊三角形的三個頂點。螺旋測微頭是普通千分尺中的測量部件，其運動精度為0.001mm。每根導(dǎo)桿上都套裝一個螺旋彈簧，使滑塊復(fù)位并消除驅(qū)動桿與滑塊之間的接觸間隙。每個滑塊由兩根平行的導(dǎo)桿導(dǎo)向。六根導(dǎo)桿的兩端分別與固定平臺2和回轉(zhuǎn)盤6固定連接，以增加剛性。
當(dāng)制造用于實際生產(chǎn)的專用刃磨機(jī)時，可以做以下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，參見圖4，具體實施如下1.驅(qū)動控制方式。可采用伺服電機(jī)、滾珠絲杠螺母驅(qū)動。數(shù)控系統(tǒng)是刃磨機(jī)的控制中樞，由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動過程中存在運動耦合問題，其運動軌跡控制須采用間接方式，分別控制三個滾珠絲杠螺母副，以實現(xiàn)各滑動體與導(dǎo)軌的相對位置和運動速度不同組合，控制動運動平臺在空間的不同姿態(tài)。
2.回轉(zhuǎn)盤與支撐盤之間有一圈滾珠，象一個大型的止推軸承。回轉(zhuǎn)盤相當(dāng)于止推軸承的動環(huán)，支撐盤相當(dāng)于止推軸承的定環(huán)，安裝在機(jī)架的上平臺上。回轉(zhuǎn)盤邊沿用三個輥子壓住，以防止其受力傾覆。輥子由支架支撐，輥子支架安裝在機(jī)架的上平臺上。
3.滑動副，為減少摩擦可采用滾動導(dǎo)軌，市場上已有成熟產(chǎn)品可供選用。
4.球鉸鏈，本實施例中采用超彈性材料加工出的柔性鉸鏈，刃磨機(jī)中可采用標(biāo)準(zhǔn)球鉸鏈，市場上已有成熟產(chǎn)品可供選用。
5.如圖4所示安裝，其中上部為五自由度刃磨機(jī)工作頭；下部為機(jī)架，機(jī)架包括上平臺21、下平臺22及連接兩平臺的四根立柱23。上平臺與刃磨機(jī)工作頭連接；下平臺作為工作臺，工作臺上安裝砂輪25，當(dāng)刃磨尺寸較長的刀具時砂輪也需要相應(yīng)的位移，工作臺上兩個相互垂直的直線運動單元24可以帶動砂輪在工作臺上沿兩坐標(biāo)直線運動。
從對本發(fā)明樣機(jī)進(jìn)行的計算與測量的數(shù)據(jù)，可以證明本發(fā)明的實用效果如下，其中最大偏轉(zhuǎn)角度的計算根據(jù)本實施例的結(jié)構(gòu)參數(shù)連桿長度150mm，運動平臺直徑為80mm，固定平臺直徑為170mm，當(dāng)三條運動鏈中兩條不動，一條運動鏈達(dá)到最大行程，機(jī)構(gòu)將會有最大偏轉(zhuǎn)角度?，F(xiàn)設(shè)2、3運動鏈不動，運動鏈1為最大行程，設(shè)滑塊1初始位置c0為一臨時坐標(biāo)原點(0，0，0)，則滑塊運動到最大位置c1的坐標(biāo)為(0，0，25)。
因為運動平臺直徑為80mm，滑塊所在位置直徑為170mm，每個連桿長度為150mm，所以每個連桿與導(dǎo)軌之間初始夾角 所以設(shè)計的動平臺邊緣有17.5°的傾角，保證在初始位置(3個滑塊的行程均為零)時3個球鉸鏈都處于中間位，以使動平臺獲得最大傾角。
初始位置，運動平臺到固定平臺的距離l=1502-(170-802)2=139mm,]]>球鉸鏈a1坐標(biāo)為(45，0，139)，當(dāng)滑塊1運動到最大行程，a1點的新坐標(biāo)應(yīng)為以c1為圓心、150為半徑的圓與以 的中點P為圓心、60為半徑的圓的交點對應(yīng)方程為 解得a1新坐標(biāo)為(5 1，0，166)所以運動平臺單邊最大偏轉(zhuǎn)角為 最大可達(dá)空間轉(zhuǎn)角為單邊最大偏轉(zhuǎn)角的兩倍，即53.48度。比KIM-750虛擬軸加工中心的對應(yīng)參數(shù)增加了8.48度。運動平臺可以繞Z軸旋轉(zhuǎn)360度，比KIM-750對應(yīng)參數(shù)增加了300度。這些參數(shù)均與實驗?zāi)Ｐ蛯崪y角度一致。
對于群鉆的外刃后刀面，其半鋒角約為62.5度，采用錐面刃磨法，需將砂輪傾斜以實現(xiàn)刃磨；而采用螺旋面刃磨法，只需把砂輪加工面的斜度修整為半鋒角的值，通過軸向進(jìn)給即可完成刃磨。
加工分屑槽的運動和加工外刃后刀面的相同，加工時其各參數(shù)由砂輪圓角決定，因此將砂輪傾斜至半鋒角，單純通過軸向進(jìn)給也可實現(xiàn)。
在刃磨圓弧刃(月牙槽)時，鉆頭繞三個坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角與鉆頭直徑對應(yīng)關(guān)系如表1，由表1可見，在整個群鉆直徑范圍內(nèi)(4＜d＜60)，圓弧刃的刃磨加工運動繞X軸的轉(zhuǎn)角為12-18度；Y軸為18.77-22.74度；Z軸為-1.39-17.27度，而本發(fā)明機(jī)構(gòu)運動平臺繞X、Y軸最大轉(zhuǎn)角為53.48度，繞Z軸最大轉(zhuǎn)角360度，因此符合群鉆圓弧刃刃磨運動的要求。
修磨橫刃時，鉆頭繞兩個坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動，形成內(nèi)刃前刀面。其轉(zhuǎn)角與鉆頭直徑對應(yīng)關(guān)系如表2，由表2可見，在整個群鉆直徑范圍內(nèi)(4＜d＜60)，橫刃的加工運動繞X軸的轉(zhuǎn)角為10.94-13.10度；Z軸為-5.84-15.56度，故本發(fā)明機(jī)構(gòu)運動符合群鉆圓弧刃刃磨運動的要求。
通過以上分析和實測驗證，證明此專用刃磨機(jī)工作頭符合群鉆加工運動的要求。表1刃磨圓弧刃時，鉆頭加工運動的轉(zhuǎn)角與鉆頭直徑對應(yīng)關(guān)系

表2修磨橫刃時，鉆頭加工運動的轉(zhuǎn)角與鉆頭直徑對應(yīng)關(guān)系

權(quán)利要求
1.基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合機(jī)構(gòu)五自由度專用刃磨機(jī)工作頭，它包括有一個運動平臺(11)、一個固定平臺(2)和連接兩個平臺的三條運動鏈，驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，及與驅(qū)動機(jī)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的、使工具準(zhǔn)確定位的精度測量系統(tǒng)，本發(fā)明的特征在于，以三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的固定平臺也可以回轉(zhuǎn)；并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運動平臺(11)上安裝一個可以相對運動平臺回轉(zhuǎn)的夾頭(12)，夾頭夾住被刃磨的刀具(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合機(jī)構(gòu)五自由度專用刃磨機(jī)工作頭，其特征在于，并聯(lián)機(jī)構(gòu)共有三條運動鏈，每條運動鏈都是由一個滑動副、一個轉(zhuǎn)副、一根固定長度的連桿(9)和一個球副(10)組成，滑動副由滑塊(4)和與其配合的兩根導(dǎo)桿(5)組成，轉(zhuǎn)副由銷軸(15)與銷孔組成。運動平臺和固定平臺之間還設(shè)置一回轉(zhuǎn)平臺，其連接構(gòu)成為6根導(dǎo)桿(5)的兩端分別與固定平臺(2)和回轉(zhuǎn)平臺上的回轉(zhuǎn)盤(6)固定連接，連桿的一端通過轉(zhuǎn)副與滑塊連接，連桿的另一端通過球副與運動平臺(11)連接，并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)是由安裝在固定平臺(2)上的螺旋測微頭(1)聯(lián)動與滑塊(4)相固定的驅(qū)動桿(3)構(gòu)成，螺旋測微頭(1)是常規(guī)千分尺的測量部件，其運動精度為0.001mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合機(jī)構(gòu)五自由度專用刃磨機(jī)工作頭，其特征在于，所述的并聯(lián)機(jī)構(gòu)每條運動鏈中的滑動副是由滑塊4和兩根平行導(dǎo)桿組成5組成，每根導(dǎo)桿上都套裝一個螺旋彈簧，銷軸(15)與銷孔組成轉(zhuǎn)副、球副為標(biāo)準(zhǔn)球鉸鏈(10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合機(jī)構(gòu)五自由度專用刃磨機(jī)工作頭，其特征在于，固定平臺(2)上三個螺旋測微頭位于一個等邊三角形的三個頂點處，該等邊三角形的外接圓與固定平臺同心；并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三條運動鏈中的六根導(dǎo)桿(5)與固定平臺的連接點也位于該等邊三角形的外接圓上并以這個等邊三角形的三個頂點為對稱中心。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合機(jī)構(gòu)五自由度專用刃磨機(jī)工作頭，其特征在于，所述的并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)也可采用伺服電機(jī)或滾珠絲杠螺母驅(qū)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合機(jī)構(gòu)五自由度專用刃磨機(jī)工作頭，其特征在于，所述的回轉(zhuǎn)平臺由回轉(zhuǎn)盤、支撐盤及兩者之間的一圈滾珠構(gòu)成。
全文摘要
基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合機(jī)構(gòu)五自由度專用刃磨機(jī)工作頭，用于刀具的刃磨。包括有運動平臺、固定平臺及連接兩者的三條運動鏈。每條運動鏈都是由一個滑動副、一個轉(zhuǎn)副、一根連桿和一個球副組成；三條運動鏈的中心分別位于一個等邊三角形的三個頂點；滑動副由滑塊和兩根平行導(dǎo)桿組成；導(dǎo)桿的兩端分別與固定平臺和回轉(zhuǎn)平臺上的回轉(zhuǎn)盤固定連接；連桿的一端通過轉(zhuǎn)副與滑塊連接，另一端經(jīng)球副與運動平臺連接，運動平臺中心安裝著夾持被刃磨刀具的夾頭，夾頭可以相對運動平臺回轉(zhuǎn)。固定平臺上的螺旋測微頭通過驅(qū)動桿驅(qū)動滑塊，滑塊在導(dǎo)桿上滑動時通過轉(zhuǎn)副推動連桿并通過連桿推動運動平臺。本發(fā)明實現(xiàn)了刃磨群鉆、球頭刀具的空間運動，控制方便，經(jīng)濟(jì)適用。
文檔編號B24B3/00GK1470359SQ0314664
公開日2004年1月28日 申請日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者劉德忠, 李士良, 岳素平 申請人:北京工業(yè)大學(xué)